CN114525156B - 一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置及方法 - Google Patents

一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置及方法。装置包括CO2吸收塔、富甲醇冷却器、液气射流泵、CO2闪蒸罐和吸收液加压泵。本发明工艺，经液气射流泵增压后的粗合成气从吸收塔下塔的粗合成气进口进入CO2吸收塔；增压后的粗合成气在下塔进行主洗，然后进一步进入吸收塔上塔进行精洗，去除CO2后气体由塔顶采出。本发明强化了鲁奇工艺的低温甲醇洗CO2的吸收过程，降低了底部循环的冷剂消耗，高压蒸汽和低压蒸汽的消耗都有所降低。相比传统鲁奇工艺低温甲醇洗过程，本发明甲醇用量减少了2.50％，底部循环冷却负荷减少了6.39％，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量减少了3.42％，再沸器热负荷减少了5.92％。

Description

一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置及方法
技术领域
本发明属于煤化工领域，具体涉及一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置及方法。
背景技术
煤经过加压气化等一系列过程后，除了用来合成下游产物的CO、H2、CH4等有用气体以外，还含有如CO2、H2S等酸性气体，这些酸性气体会导致甲烷化过程的催化剂中毒，严重影响合成。为了降低CO2、H2S等酸性气体的含量至允许范围，大型煤化工项目通常采用低温甲醇洗工艺实现酸性组分的脱除。
低温甲醇洗工艺，是以甲醇作为吸收液，利用其在-60℃左右的低温下对酸性气体溶解度极大的物理特性，选择性地吸收原料气中的H2S、CO2及各种有机硫等杂质。该工艺的优点是选择性高、处理量大和净化效率高，缺点是存在能耗高的问题。低温甲醇洗的能耗主要来源于以下几个方面：一是原料气的预冷过程和吸收过程的中间冷却。这些冷量都是由丙烯压缩制冷进行提供，而压缩制冷需要消耗大量的高压蒸汽；二是作为吸收剂的贫甲醇在热再生循环过程伴随着大量低压蒸汽的消耗以及泵的电耗。
低温甲醇洗工艺可以分为林德工艺和鲁奇工艺。鲁奇和林德工艺的能耗都包括制冷和再生两个方面，但是二者的设计思路不一样。林德工艺倾向于降低制冷过程的能耗，只使用贫甲醇作为吸收剂，吸收效果较强，但是后续的再生过程消耗的能耗较高。鲁奇工艺倾向于降低再生过程的能耗，采用了使用半贫甲醇和贫甲醇混合吸收，降低了后续再生过程的能耗，但是吸收过程需要设置底部循环等来增加吸收效果，消耗更多的丙烯压缩制冷冷量。另外，两个工艺的换热网络、冷量设置和回收方式有所差异。
传统的鲁奇低温甲醇洗吸收过程如图1所示：CO2吸收塔分为上塔和下塔两个部分，上塔为精洗段，下塔为主洗段。粗合成气进入下塔，贫甲醇进入上塔，半贫甲醇进入上塔变径段。主洗段利用带有少量CO2的半贫甲醇作为溶剂吸收粗合成气中的CO2，精洗段利用新鲜的贫甲醇溶剂作为最终净化洗涤，净化后的合成气从CO2吸收塔塔顶排出。从下塔底部将富含CO2的富甲醇溶液采出，一部分经过富甲醇冷却器冷却然后循环回下塔，一部分用泵输送到CO2闪蒸塔，第三部分用泵输送到H2S吸收塔。鲁奇低温甲醇洗吸收过程主要存在的不足为：1.为了提高甲醇的吸收能力设置了底部循环来增强吸收过程，但贫甲醇和半贫甲醇使用量越大底部循环所需的冷量就越大，导致丙烯压缩制冷系统的压缩能耗高。2.贫甲醇循环量大，导致下游甲醇热再生塔能耗高。
因此如何减少鲁奇工艺中丙烯压缩制冷冷量，将是鲁奇工艺实现高效、经济和绿色生产的关键。
发明内容
为解决现有鲁奇工艺低温甲醇洗工段吸收效率低、能耗高的问题，本发明的首要目的在于提供一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置。通过该装置可以强化低温甲醇洗的二氧化碳吸收过程，以减少过程中冷剂丙烯和吸收剂甲醇的循环量，最终达到节能降耗的目的。
本发明的另一目的在于提供一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法。该方法能达到增强甲醇吸收效率、降低能耗的目的。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置，主要包括CO2吸收塔、富甲醇冷却器、液气射流泵、CO2闪蒸罐和吸收液加压泵；
所述CO2吸收塔分为上塔和下塔两个部分，吸收塔上塔设有贫甲醇进口、半贫甲醇进口和顶部合成气出口，吸收塔下塔设有粗合成气进口、富甲醇入口和底部液体出口；所述液气射流泵设有气相进口、工作液体进口和混合溶液出口；所述CO2闪蒸罐设有进口、气相出口和液相出口；
所述液气射流泵气相进口为粗合成气的进口，液气射流泵混合溶液出口与CO2闪蒸罐进口相连；所述CO2闪蒸罐气相出口与设置在吸收塔下塔的粗合成气进口相连；所述CO2闪蒸罐液相出口分为三条管路，第一条管路与H2S吸收塔相连，第二条管路与CO2闪蒸塔相连，第三条管路与吸收液加压泵进口相连；所述吸收液加压泵出口与液汽射流泵工作液体进口相连；
吸收塔下塔的底部液体出口分为两个管路，分别与富甲醇冷却器进口、吸收液加压泵进口相连，所述富甲醇冷却器出口与吸收塔下塔富甲醇入口相连。
所述半贫甲醇进口设置在吸收塔上塔变径段。
一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法，包括如下步骤：
贫甲醇进入吸收塔上塔，半贫甲醇进入吸收塔上塔变径段；
粗合成气进入液气射流泵气相进口，吸收液加压泵加压后的液体进入液气射流泵工作液相进口，液气射流泵出口的气液混合物进入CO2闪蒸罐，CO2闪蒸罐罐顶气相为预净化后的粗合成气；CO2闪蒸罐罐底液相分为三部分，第一部分进入H2S吸收塔，第二部分进入CO2闪蒸塔，第三部分与部分吸收塔下塔底部采出的富甲醇混合后进入吸收液加压泵，经吸收液加压泵加压后进入液气射流泵；
预净化后的粗合成气从吸收塔下塔的粗合成气进口进入CO2吸收塔；预净化后的粗合成气在下塔进行主洗，然后进一步进入吸收塔上塔进行精洗，去除CO2至摩尔分数为1.5％以下的气体由塔顶采出；
吸收塔下塔底部采出的富甲醇分为两部分，一部分经富甲醇冷却器冷却后循环进入吸收塔下塔，另一部分与部分CO2闪蒸罐罐底液体混合之后进入吸收液加压泵。
进一步的，所述粗合成气进口温度在-20℃到-32℃，压力在2.8-3.5Mpa。
进一步的，所述粗合成气的主要成分摩尔百分率：45％H2、13％CO、28％CO2、14％CH4。
进一步的，所述粗合成气进液气射流泵后增加的压力在0.1-0.6Mpa。
进一步的，所述CO2闪蒸罐闪蒸压力在3.4-4.0Mpa。
进一步的，所述CO2闪蒸罐罐底液体进入CO2闪蒸塔、液气射流泵、H2S吸收塔的摩尔比例范围为4-7:2-3.5:1-3。
进一步的，所述贫甲醇为纯甲醇。
进一步的，所述半贫甲醇为含有摩尔分数为2％CO2的甲醇。
本发明的原理是：液气射流泵具有液气两相强制性湍流混合接触的优点，吸收剂甲醇和粗合成气在液气射流泵内强制性混合接触，能极大的提升吸收CO2的效果，使得吸收CO2所需的甲醇量减少，通过降低甲醇循环量，可以减少冷剂丙烯的冷量和低压蒸汽的消耗量，达到节能降耗的目的。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明强化了鲁奇工艺的低温甲醇洗CO2的吸收过程，降低了底部循环的冷剂消耗。另外，减少了低温甲醇洗吸收过程中贫甲醇的用量。总体上，高压蒸汽和低压蒸汽的消耗都有所降低。
(2)本发明强化了鲁奇工艺的低温甲醇洗CO2的吸收过程，甲醇用量减少了2.50％，底部循环冷却负荷减少了6.39％，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量减少了3.42％，再沸器热负荷减少了5.92％。
附图说明
图1为传统鲁奇低温甲醇洗吸收过程：1为CO2吸收塔，2为富甲醇冷却器，3-4为富甲醇输送泵，5为贫甲醇，6为半贫甲醇，7为粗合成气，8为净化后的合成气，9-14为富甲醇。
图2为本发明基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置：15为CO2吸收塔，16为富甲醇冷却器，17为液气射流泵，18为CO2闪蒸罐，19为吸收液加压泵，20为富甲醇输送泵，21为贫甲醇，22为半贫甲醇，23为粗合成气，24为净化后的合成气，25-29为富甲醇，30为液气射流混合溶液，31为CO2闪蒸罐气相，32-35为CO2闪蒸罐液相。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明涉及的原料均可从市场上直接购买。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
如图2所示，本发明提供了一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置，主要包括CO2吸收塔15、富甲醇冷却器16、液气射流泵17、CO2闪蒸罐18和吸收液加压泵19；
所述CO2吸收塔15分为上塔和下塔两个部分，吸收塔上塔设有贫甲醇进口、半贫甲醇进口和顶部合成气出口，吸收塔下塔设有粗合成气进口、富甲醇入口和底部液体出口；所述液气射流泵17设有气相进口、工作液体进口和混合溶液出口；所述CO2闪蒸罐18设有进口、气相出口和液相出口；
所述液气射流泵17气相进口为粗合成气的进口，液气射流泵17混合溶液出口与CO2闪蒸罐18进口相连；所述CO2闪蒸罐18气相出口与设置在吸收塔下塔的粗合成气进口相连；所述CO2闪蒸罐18液相出口分为三条管路，第一条管路与H2S吸收塔相连，第二条管路与CO2闪蒸塔相连，第三条管路与吸收液加压泵19进口相连；所述吸收液加压泵19出口与液汽射流泵17工作液体进口相连；
吸收塔下塔的底部液体出口分为两个管路，分别与富甲醇冷却器16进口、吸收液加压泵19进口相连，所述富甲醇冷却器16出口与吸收塔下塔富甲醇入口相连。
所述半贫甲醇进口设置在吸收塔上塔变径段。
吸收塔下塔底部采出的液体(富甲醇)通过富甲醇输送泵20分别送入两个管路。
实施例1
本实施例利用图2所示装置处理来自H2S吸收塔的粗合成气，工艺如下：
94℃，34.2bar，10140kmol/h的贫甲醇降温到-41℃进入吸收塔上部；-49℃，34.2bar，8220kmol/h的半贫甲醇进入吸收塔上部变径段；
-25℃、34.6bar、14080kmol/h的粗合成气(主要成分摩尔百分率：45％H2、13％CO、28％CO2、14％CH4)进入液气射流泵，吸收液加压泵加压到38bar后的液体进入液气射流泵，液气射流泵出口的气液混合物进入CO2闪蒸罐，CO2闪蒸罐罐顶气相为增压后的粗合成气，压力为35.6bar；CO2闪蒸罐罐底液相分为三部分(摩尔比例为4.3:3.2:2.5)，第一部分进入CO2闪蒸塔，第二部分与部分吸收塔下塔底部采出的富甲醇混合后进入吸收液加压泵，经吸收液加压泵加压后进入液气射流泵，第三部分进入H2S吸收塔；
增压后的粗合成气从吸收塔下塔的粗合成气进口进入CO2吸收塔；增压后的粗合成气在下塔进行主洗，然后进一步进入吸收塔上塔进行精洗，去除CO2至摩尔分数为1.5％以下的气体由塔顶采出；塔顶合成气温度为-40℃、压力34bar，进入甲烷化工段；
吸收塔下塔底部采出的富甲醇分为两部分，一部分经富甲醇冷却器冷却后循环进入吸收塔下塔，另一部分与部分CO2闪蒸罐罐底液体混合之后进入吸收液加压泵，两部分富甲醇的摩尔比为48：52。
实施例1所述工艺中甲醇用量为324.91t/h，中间冷却负荷为8.21MW，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量30.11t/h，再沸器负荷为12.56MW。
对照试验1：采用图1所示传统鲁奇低温甲醇洗工艺对与实施例1相同温度、成分、压力及流速的粗合成气(-25℃、34.6bar、14080kmol/h，主要成分摩尔百分率：45％H2、13％CO、28％CO2、14％CH4)进行低温甲醇洗；对照试验1使用的贫甲醇和半贫甲醇的温度、压力及流速与实施例1相同。甲醇用量为333.24t/h，中间冷却负荷为8.77MW，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量29.08t/h，再沸器负荷为13.35MW。
与传统鲁奇低温甲醇洗工艺相比，采用本发明工艺后甲醇用量减少了2.50％，中间冷却负荷减少了6.39％，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量减少了3.42％，再沸器负荷减少了5.92％。
实施例2
本实施例利用图2所示装置处理来自H2S吸收塔的粗合成气，工艺如下：
94℃，34.2bar，9150kmol/h的贫甲醇降温到-41℃进入吸收塔上部；-49℃，34.2bar，8220kmol/h的半贫甲醇进入吸收塔上部变径段；
-28℃、33.6bar、12672kmol/h的粗合成气(主要成分摩尔百分率：45％H2、13％CO、28％CO2、14％CH4)进入液气射流泵，吸收液加压泵加压到38bar后的液体进入液气射流泵，液气射流泵出口的气液混合物进入CO2闪蒸罐，CO2闪蒸罐罐顶气相为增压后的粗合成气，压力为35.6bar；CO2闪蒸罐罐底液相分为三部分(摩尔比例为4.3:3.2:2.5)，第一部分进入CO2闪蒸塔，第二部分与部分吸收塔下塔底部采出的富甲醇混合后进入吸收液加压泵，经吸收液加压泵加压后进入液气射流泵，第三部分进入H2S吸收塔；
增压后的粗合成气从吸收塔下塔的粗合成气进口进入CO2吸收塔；增压后的粗合成气在下塔进行主洗，然后进一步进入吸收塔上塔进行精洗，去除CO2后的气体由塔顶采出；塔顶合成气温度为-40℃、压力34bar，进入甲烷化工段；
吸收塔下塔底部采出的富甲醇分为两部分，一部分经富甲醇冷却器冷却后循环进入吸收塔下塔，另一部分与部分CO2闪蒸罐罐底液体混合之后进入吸收液加压泵，两部分富甲醇的摩尔比为48：52。
实施例2所述工艺中甲醇用量为285.86t/h，中间冷却负荷为7.25MW，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量为26.59t/h，再沸器负荷为12.20MW。
对照试验2：采用图1所示传统鲁奇低温甲醇洗工艺对与实施例2相同温度、成分、压力及流速的粗合成气(-28℃、35.6bar、12672kmol/h，主要成分摩尔百分率：45％H2、13％CO、28％CO2、14％CH4)进行低温甲醇洗；对照试验2使用的贫甲醇和半贫甲醇的温度、压力及流速与实施例2相同。甲醇用量为293.19t/h，中间冷却负荷为7.74MW，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量为25.68t/h，再沸器负荷为12.97MW。
与传统鲁奇低温甲醇洗工艺相比，采用本发明工艺后甲醇用量减少了2.50％，中间冷却负荷减少了6.39％，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量减少了3.42％，再沸器负荷减少了5.92％。
实施例3
本实施例利用图2所示装置处理来自H2S吸收塔的粗合成气，工艺如下：
94℃，34.2bar，7750kmol/h的贫甲醇降温到-41℃进入吸收塔上部；-49℃，34.2bar，8220kmol/h的半贫甲醇进入吸收塔上部变径段；
-30℃、32.6bar、11264kmol/h的粗合成气(主要成分摩尔百分率：45％H2、13％CO、28％CO2、14％CH4)进入液气射流泵，吸收液加压泵加压到38bar后的液体进入液气射流泵，液气射流泵出口的气液混合物进入CO2闪蒸罐，CO2闪蒸罐罐顶气相为增压后的粗合成气，压力为35.6bar；CO2闪蒸罐罐底液相分为三部分(摩尔比例为4.3:3.2:2.5)，第一部分进入CO2闪蒸塔，第二部分与部分吸收塔下塔底部采出的富甲醇混合后进入吸收液加压泵，经吸收液加压泵加压后进入液气射流泵，第三部分进入H2S吸收塔；
增压后的粗合成气从吸收塔下塔的粗合成气进口进入CO2吸收塔；增压后的粗合成气在下塔进行主洗，然后进一步进入吸收塔上塔进行精洗，去除CO2后的气体由塔顶采出；塔顶合成气温度为-40℃、压力34bar，进入甲烷化工段；
吸收塔下塔底部采出的富甲醇分为两部分，一部分经富甲醇冷却器冷却后循环进入吸收塔下塔，另一部分与部分CO2闪蒸罐罐底液体混合之后进入吸收液加压泵，两部分富甲醇的摩尔比为48：52。
实施例3所述工艺中甲醇用量为242.12t/h，中间冷却负荷为6.67MW，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量为24.46t/h，再沸器负荷为11.61MW。
对照试验3：采用图1所示传统鲁奇低温甲醇洗工艺对与实施例3相同温度、成分、压力及流速的粗合成气(-30℃、35.6bar、11264kmol/h，主要成分摩尔百分率：45％H2、13％CO、28％CO2、14％CH4)进行低温甲醇洗；对照试验3使用的贫甲醇和半贫甲醇的温度、压力及流速与实施例3相同。甲醇用量为248.33t/h，中间冷却负荷为7.12MW，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量为23.62t/h，再沸器负荷为12.34MW。
与传统鲁奇低温甲醇洗工艺相比，采用本发明工艺后甲醇用量减少了2.50％，中间冷却负荷减少了6.39％，丙烯压缩制冷蒸汽消耗量减少了3.42％，再沸器负荷减少了5.92％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置，其特征在于，包括CO2吸收塔、富甲醇冷却器、液气射流泵、CO2闪蒸罐和吸收液加压泵；
所述CO2吸收塔分为上塔和下塔两个部分，吸收塔上塔设有贫甲醇进口、半贫甲醇进口和顶部合成气出口，吸收塔下塔设有粗合成气进口、富甲醇入口和底部液体出口；所述液气射流泵设有气相进口、工作液体进口和混合溶液出口；所述CO2闪蒸罐设有进口、气相出口和液相出口；
所述液气射流泵气相进口为粗合成气的进口，液气射流泵混合溶液出口与CO2闪蒸罐进口相连；所述CO2闪蒸罐气相出口与设置在吸收塔下塔的粗合成气进口相连；所述CO2闪蒸罐液相出口分为三条管路，第一条管路与H2S吸收塔相连，第二条管路与CO2闪蒸塔相连，第三条管路与吸收液加压泵进口相连；所述吸收液加压泵出口与液汽射流泵工作液体进口相连；
吸收塔下塔的底部液体出口分为两个管路，分别与富甲醇冷却器进口、吸收液加压泵进口相连，所述富甲醇冷却器出口与吸收塔下塔富甲醇入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能装置，其特征在于，所述半贫甲醇进口设置在吸收塔上塔变径段。
3.一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法，其特征在于，包括如下步骤：
贫甲醇进入吸收塔上塔，半贫甲醇进入吸收塔上塔变径段；
粗合成气进入液气射流泵气相进口，吸收液加压泵加压后的液体进入液气射流泵工作液相进口，液气射流泵出口的气液混合物进入CO2闪蒸罐，CO2闪蒸罐罐顶气相为预净化后的粗合成气；CO2闪蒸罐罐底液相分为三部分，第一部分进入H2S吸收塔，第二部分进入CO2闪蒸塔，第三部分与部分吸收塔下塔底部采出的富甲醇混合后进入吸收液加压泵，经吸收液加压泵加压后进入液气射流泵；
预净化后的粗合成气从吸收塔下塔的粗合成气进口进入CO2吸收塔；预净化后的粗合成气在下塔进行主洗，然后进一步进入吸收塔上塔进行精洗，去除CO2至摩尔分数为1.5％以下的气体由塔顶采出；
吸收塔下塔底部采出的富甲醇分为两部分，一部分经富甲醇冷却器冷却后循环进入吸收塔下塔，另一部分与部分CO2闪蒸罐罐底液体混合之后进入吸收液加压泵。
4.根据权利要求3所述的一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法，其特征在于，所述粗合成气进口温度在-20℃到-32℃，压力在2.8-3.5Mpa。
5.根据权利要求3所述的一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法，其特征在于，所述粗合成气的主要成分摩尔百分率：45％H2、13％CO、28％CO2、14％CH4。
6.根据权利要求3所述的一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法，其特征在于，所述粗合成气进液气射流泵后增加的压力在0.1-0.6Mpa。
7.根据权利要求3所述的一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法，其特征在于，所述CO2闪蒸罐闪蒸压力在3.4-4.0Mpa。
8.根据权利要求3所述的一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法，其特征在于，所述贫甲醇为纯甲醇。
9.根据权利要求3所述的一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法，其特征在于，所述半贫甲醇为含有摩尔分数为2％CO2的甲醇。
10.根据权利要求3所述的一种基于鲁奇工艺的强化低温甲醇洗吸收的节能方法，其特征在于，所述CO2闪蒸罐罐底液体进入CO2闪蒸塔、液气射流泵、H2S吸收塔的摩尔比例范围为4-7:2-3.5:1-3。
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